FR2954667A1

FR2954667A1 - Circuit imprime multicouche assemble par thermodiffusion

Info

Publication number: FR2954667A1
Application number: FR0959098A
Authority: FR
Inventors: Le Guern Guy
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-06-24
Anticipated expiration: 2029-12-17
Also published as: FR2954667B1

Abstract

L'invention concerne un circuit imprimé multicouche assemblé par thermodiffusion. Elle s'applique par exemple pour des circuits numériques à haute densité d'intégration ou pour des circuits hyperfréquence. Le circuit imprimé multicouche comprend un empilement d'au moins deux circuits imprimés élémentaires (10, 11), un premier circuit imprimé élémentaire (10) comprenant deux faces externes (13, 16) et des trous métallisés (31, 32) permettant d'interconnecter ses deux faces externes (13, 16), les deux circuits imprimés élémentaires (10, 11) étant assemblés par thermodiffusion de composants métalliques appartenant à chaque circuit imprimés élémentaires (10, 11). Selon l'invention, les trous métallisés (31, 32) du premier circuit élémentaire (10) sont obstrués chacun au moyen d'un bouchon (33, 34) ; Le second circuit imprimé élémentaire (11) comprend deux faces externes (20, 21) et dans le prolongement de chacun des trous métallisés (31, 32) du premier circuit imprimé élémentaire (10), le second circuit imprimé élémentaire (11) comprend un trou métallisé (37, 38) permettant d'interconnecter ses deux faces externes (20, 21).

Description

Circuit imprimé multicouche assemblé par thermodiffusion L'invention concerne un circuit imprimé multicouche assemblé par thermodiffusion. Elle s'applique par exemple pour des circuits numériques à haute densité d'intégration ou pour des circuits hyperfréquence. Il est connu de réaliser des interconnexions dans des circuits imprimés multicouches qui assurent les liaisons électriques entre différentes couches du circuit. Une première solution consiste à utiliser des trous métallisés sur toute l'épaisseur du circuit imprimé. Une telle solution présente au moins deux inconvénients. En premier lieu, elle est encombrante. A titre d'exemple, pour relier électriquement la troisième à la quatrième couche d'un circuit, il faut néanmoins percer sur toute l'épaisseur du circuit imprimé et donc diminuer la surface disponible sur les autres couches. Ce problème est encore plus sensible lorsque le circuit comprend un grand nombre de couches, puisque des contraintes de fiabilité imposent d'augmenter le diamètre des trous quand on augmente leur longueur. Dans le cas des circuits multicouches comportant des fonctions numériques, l'encombrement peut être un paramètre très important à prendre en compte en raison notamment des contraintes d'intégration de plus en plus sévères. Un deuxième inconvénient propre à ces trous métallisés est leur effet d'antenne (rayonnement électromagnétique), ce qui peut notamment être gênant dans le cas où le circuit comporte des fonctions hyperfréquence. Une solution optimisée, tant du point de vue de l'encombrement que de l'effet d'antenne, est de réaliser des trous métallisés uniquement entre les couches à relier. Ce type de trou est appelé trou enterré. Il peut être réalisé en pressant un circuit imprimé de chaque côté du circuit multicouche pour fermer les trous. Si l'on considère l'exemple précédent, cela revient à créer un trou métallisé uniquement entre la troisième et la quatrième couche, ou encore entre une deuxième et une quatrième couche par exemple. A cet effet, on peut réaliser simplement des trous métallisés dans chacune des couches avant des les assembler pour former le circuit multicouche, chaque paire de couches étant en fait un simple circuit imprimé double face. Ainsi, toujours en considérant l'exemple précédent, on réalise un trou métallisé dans la troisième couche. Un problème délicat à résoudre est alors notamment d'assurer un contact électrique fiable entre le trou métallisé et les éléments auxquels il est relié, ces éléments pouvant être par exemple un autre trou métallisé, une piste conductrice ou un plan conducteur. Ce problème est résolu en utilisant un procédé d'assemblage de plusieurs circuits imprimés élémentaires par thermodiffusion. Plus précisément, ce procédé consiste à : • recouvrir des faces externes des différents circuits imprimés élémentaires d'un dépôt métallique sur des zones électriquement conductrices, tels que des pistes et des trous métallisés ; • mettre en pression les différents circuits imprimés élémentaires de façon 1 o à amener au contact les faces externes recouvertes d'un dépôt métallique ; • chauffer l'ensemble mis en pression pour aboutir à la diffusion des composants métalliques contenus dans les dépôts lorsqu'ils sont en regard ; de façon à former une liaison électrique entre les circuits 15 imprimés élémentaires, la température de diffusion étant inférieure à la température de fusion de chacun des dépôts. Ce procédé est par exemple décrit plus en détail dans la demande de brevet FR 2 818 270. On peut être amené à réaliser un dépôt métallique sur une face 20 externe de l'assemblage pour d'autres besoins que celui de la thermodiffusion. Par exemple, pour le câblage de composants, on peut réaliser un dépôt d'un alliage de nickel et d'or une face externe de l'assemblage. Le dépôt métallique mis en oeuvre pour la thermodiffusion est généralement différent de celui mis en oeuvre pour le câblage de 25 composants. Par exemple, on peut utiliser un dépôt d'or pour la thermodiffusion. Ces dépôts différents posent un problème dans la réalisation du circuit imprimé élémentaire devant recevoir ces deux dépôts, notamment au niveau des trous métallisés traversant le circuit élémentaire. Par ces trous métallisés, le dépôt métallique réalisé sur une face du circuit 30 imprimé élémentaire peut migrer vers l'autre face du circuit imprimé élémentaire. Pour éviter ce problème, lors d'essais internes, le déposant a tenté de boucher les trous métallisés avant de réaliser les différents dépôts métalliques. Ce bouchage a été réalisé au moyen d'une résine placée dans 35 tous les trous métallisés. Malheureusement, cette résine, a subi une expansion lors de sa polymérisation. Cette expansion crée un ressaut dépassant de chaque côté du circuit imprimé élémentaire. Ce ressaut est dommageable à l'assemblage par thermodiffusion car il tend à écarter les différents circuits imprimés élémentaires. Ce ressaut est également dommageable du côté de la face externe de l'assemblage. Par exemple, pour des applications hyperfréquence, on peut être amené à placer un capot métallique au contact d'une face externe de l'assemblage. Les éventuels ressauts tendent à écarter le capot de la face sur laquelle il est posé créant ainsi une lame d'air provoquant des fuites d'ondes hyperfréquence, nuisant à l'effet recherché par le capot.

L'invention vise à éviter tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un circuit imprimé multicouche assemblé par thermodiffusion exempt de problème lié au bouchage de trous métallisés de l'un des circuits élémentaires. A cet effet, l'invention a pour objet un circuit imprimé multicouche comprenant un empilement d'au moins deux circuits imprimés élémentaires, un premier circuit imprimé élémentaire comprenant deux faces externes et des trous métallisés permettant d'interconnecter ses deux faces externes, les deux circuits imprimés élémentaires étant assemblés par thermodiffusion de composants métalliques appartenant à chaque circuit imprimés élémentaires, caractérisé en ce que les trous métallisés du premier circuit élémentaire sont obstrués chacun au moyen d'un bouchon, en ce que le second circuit imprimé élémentaire comprend deux faces externes et en ce que dans le prolongement de chacun des trous métallisés du premier circuit imprimé élémentaire, le second circuit imprimé élémentaire comprend un trou métallisé permettant d'interconnecter ses deux faces externes.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : La figure 1 représente un exemple de circuit imprimé multicouche selon l'invention associé à un module triplaque. Sur cette figure les échelles ne sont volontairement pas 35 respectées pour faciliter la compréhension de l'invention.

Sur la figure 1 sont représentés deux circuits imprimés élémentaires 10 et 11 ainsi qu'un module triplaque 12 empilés les uns sur les autres.

Le circuit imprimé élémentaire 10 est par exemple un circuit imprimé multicouche. Il comprend ici quatre couches conductrices 13 à 16 séparées chacune par une couche isolante 17 à 19. La couche 17 sépare les couches 13 et 14. La couche 18 sépare les couches 14 et 15. La couche 19 sépare les couches 15 et 16. 1 o Le circuit imprimé élémentaire 11 est par exemple un circuit imprimé double face. Il comprend deux couches conductrices 20 et 21 séparées par une couche isolante 22. Le module 12 est un circuit hyperfréquence du type triplaque, réalisé selon la technologie utilisée pour les circuits imprimés multicouches et 15 comprenant un premier substrat isolant 25, dont une face porte une couche conductrice 26 formant un plan de masse, et l'autre face porte un motif conducteur 27 formant le conducteur central du module triplaque 12. Le module triplaque 12 comprend un second substrat isolant 28, dont l'une des faces est destinée à être disposée sur le conducteur central 27. L'autre face 20 du substrat 28 porte un une couche conductrice 29 formant un deuxième plan de masse. Il apparaît ainsi que le conducteur central 27 est pris en sandwich entre les deux substrats isolants 25 et 28. La réalisation d'un tel module triplaque est par exemple décrite dans la demande de brevet EP 0 357 486.

25 Les différentes couches des circuits imprimés élémentaires 10 et 11 et du module triplaque 12 sont parallèles. Dans un tel assemblage, le circuit imprimé élémentaire multicouche 10 porte par exemple des composants de commande. Le circuit imprimé élémentaire 11 double face joue par exemple le rôle d'interposeur dans la diffusion de composants 30 métalliques et le module triplaque 12 intègre par ses motifs des filtres hyperfréquence. Sur la figure 1, les deux circuits imprimés élémentaires 10 et 11 et le module triplaque 12 sont représentés à distance les uns des autres pour faciliter la compréhension de l'invention. Dans la pratique, les deux circuits 35 imprimés élémentaires 10 et 11 et le module triplaque 12 sont pressés les uns contre les autres et assemblés par thermodiffusion de composants métalliques appartenant à chaque circuit élémentaire 10 et 11 ainsi qu'au module triplaque 12 pour former un seul circuit multicouche. Plus précisément, la couche 16 est réalisée sur une face externe du circuit imprimé élémentaire 10. Par la suite, la couche 16 et la face externe, qu'elle porte, seront confondues et porteront le même repère. Il est de même pour les faces 20 et 21 du second circuit imprimé élémentaire 11 ainsi que pour la face 26 du module triplaque 12. Une diffusion métallique est opérée entre la face 16 du circuit 10 1 o et la face 20 du circuit 11. De même, une diffusion métallique est opérée entre la face 21 du circuit 11 et la face 26 du module triplaque 12. La thermodiffusion est par exemple assurée au moyen de particules d'or déposée de façon électrolytique sur les zones conductrices destinées à venir au contact comme notamment la face 16 du circuit élémentaire 10. Ce même 15 circuit élémentaire 10 peut être utilisé pour recevoir des composants sur sa face 13 restée libre dans l'assemblage des circuits imprimés élémentaires 10 et 11. A cet effet, on peut être amené à déposer de façon électrolytique des particules métalliques sur la face 13 de nature différentes de celles déposées sur la face 16.

20 Le circuit imprimé élémentaire 10 comprend des trous métallisés permettant de réaliser des contacts électriques entre les différents couches conductrices 13 à 16. Sur la figure 1, deux trous 31 et 32 sont représentés. Les différentes couches conductrices 13 à 16 comprennent des pistes pouvant être raccordées ou non aux trous métallisés en fonction du câblage 25 à réaliser. Chaque trou métallisé 31 et 32 est en contact avec une pastille appartenant aux couches externes 13 et 16. Pour réaliser un dépôt électrolytique on utilise les couches conductrices externes comme électrodes raccordées à un potentiel permettant le dépôt. Les couches externes 13 et 16 étant raccordées 30 électriquement par les trous métallisés 31 et 32, il n'est donc pas possible de réaliser des dépôts métalliques distincts sans boucher les trous métallisés 31 et 32. A cet effet, les trous métallisés du premier circuit imprimé élémentaire sont obstrués chacun au moyen d'un bouchon, respectivement 33 et 34, par exemple réalisé en remplissant les trous d'une résine déposée en phase liquide dans les trous 31 et 32. La résine se solidifie par polymérisation pour obtenir un bouchon rigide. Les bouchons 33 et 34 comprennent chacun un ressaut, respectivement 35 et 36, débordant de la face externe 16 du premier circuit imprimé élémentaire 10. Autrement dit, les ressauts 35 et 36 débordent chacun du volume interne des trous métallisé 31 et 32. Ces ressauts 35 et 36 peuvent être dus à une expansion de la résine lors de sa polymérisation ou plus simplement à un excès de remplissage des trous métallisés 31 et 32 par de la résine lors de son dépôt en phase liquide. 1 o Selon l'invention, dans le prolongement de chacun des trous métallisés 31 et 32, le circuit imprimé élémentaire 11 comprend un trou métallisé, respectivement 37 et 38 permettant d'interconnecter ses deux faces externes. Les trous métallisés 37 et 38 permettant d'accueillir chacun un ressaut respectivement 35 et 36. Ainsi lors du pressage des deux circuits 15 imprimés élémentaires 10 et 11, les ressauts 35 et 36 ne tendront plus écarter les deux circuits imprimés élémentaires 10 et 11. Les ressauts 35 et 36 ont une forme bombée et sont particulièrement proéminents au niveau de l'axe du trou métallisé 31 ou 32 dans lequel le bouchon correspondant 33 ou 34 est réalisé. Les ressauts 35 20 et 36 sont moins proéminents à la jonction entre la face cylindrique du trou métallisé correspondant 31 ou 32 et la pastille entourant le trou métallisé sur la face 16. On pourrait donc réaliser des trous métallisés 37 et 38 de diamètre égal voire inférieur à celui du trou métallisé 31 ou 32 correspondant. Mais avantageusement, chaque trou métallisé 37 et 38 du 25 second circuit imprimé élémentaire 11 à un diamètre supérieur à un diamètre du trou métallisé 31 ou 32 du premier circuit imprimé élémentaire 10 situé dans son prolongement. On peut ainsi admettre des ressauts 35 et 36 plus importants et débordant même sur la pastille correspondante de la face 16. On est ainsi moins limité dans le choix de la résine. Une résine ayant une 30 forte expansion pourra être mise en oeuvre. Cette différence de diamètre permet également d'élargir les tolérances de position des trous métallisés dans leur circuit imprimé élémentaire respectif et les tolérances de positionnement des circuits imprimés élémentaires 10 et 11 entre eux lors du pressage dans l'opération de thermodiffusion. A titre d'exemple, pour des trous métallisés 31 et 32 de 0,6mm de diamètre, on peut réaliser des trous métallisés 37 et 38 de 0,7mm de diamètre. De plus, il est possible d'accepter des ressauts 35 et 36 importants. On peut donc prévoir lors de la mise en place de la résine de canaliser l'expansion de celle-ci uniquement en direction du circuit imprimé élémentaire 11 et ainsi éviter tout ressaut de résine au niveau de la face 13. Autrement dit, les bouchons ne débordent pas au-delà de la face externe 13 du circuit élémentaire 10. Il est bien entendu que le circuit imprimé élémentaire 11 peut 1 o comprendre d'autres trous métallisés permettant l'interconnexion de ses couches 20 et 21. Sur la figure 1, deux trous 39 et 40 sont représentés. On a vu précédemment que le circuit imprimé élémentaire 11 a une fonction d'interposition lors de la thermodiffusion. Cela permet d'adapter les matériaux intervenant dans la thermodiffusion. Plus précisément, la 15 thermodiffusion ne se fait pas correctement entre deux couches recouvertes d'un dépôt à base d'or. Par contre, elle se fait convenablement entre une couche à base d'or et une couche à base d'étain. Par ailleurs, même en obstruant les trous métallisés 31 et 32 en mettant en oeuvre les bouchons 33 et 34, il est difficile, voire impossible, de recouvrir seulement la face externe 20 16 du premier circuit imprimé élémentaire 10 avec une couche à base d'étain. En conséquence, si on souhaite recouvrir le module triplaque 12 d'un dépôt à base d'or, il n'est pas possible de réaliser une opération de thermodiffusion directe entre le premier circuit imprimé élémentaire 10 et le module triplaque 12.

25 Pour résoudre ce problème, on interpose le circuit imprimé élémentaire 11 entre le premier circuit imprimé élémentaire 10 et le module triplaque 12. Le circuit imprimé élémentaire 11 peut être un circuit double face étamé, ce qui est facile à réaliser. On peut ainsi recouvrir la face externe 16 du premier circuit imprimé élémentaire 10 et le module triplaque 12 d'un 30 dépôt à base d'or. La thermodiffusion est alors double, d'une part entre la face externe 16 et la face 20 du circuit imprimé élémentaire 11 et d'autre part entre la face 21 du circuit imprimé élémentaire 11 et la face 26 du module triplaque 12. On a ainsi deux opérations de thermodiffusion réalisées 35 chacune entre des faces recouverte respectivement d'un dépôt à base d'or et d'un dépôt à base d'étain. Plus généralement, les dépôts métalliques réalisés sur des faces en contact du second circuit imprimé élémentaire 11 et du module triplaque 12 d'une part et du premier circuit imprimé élémentaire 10 et du second circuit imprimé élémentaire 11 sont distincts pour faciliter la thermodiffusion. La mise en place du circuit imprimé élémentaire 11 en interposition entre le circuit élémentaire 10 et le module triplaque 12 permet également d'éviter de réaliser des trous métallisés supplémentaires dans le module triplaque 12 en regard des trous métallisés 31 et 32 pour recevoir les 1 o ressauts 35 et 36. Ainsi, on ne modifie pas le dessin des éléments conducteurs, pistes et trous métallisés, du module triplaque 12 pour réaliser les trous nécessaires à l'accueil des ressauts 35 et 36.

Claims

REVENDICATIONS1. Circuit imprimé multicouche comprenant un empilement d'au moins deux circuits imprimés élémentaires (10, 11), un premier circuit imprimé élémentaire (10) comprenant deux faces externes (13, 16) et des trous métallisés (31, 32) permettant d'interconnecter ses deux faces externes (13, 16), les deux circuits imprimés élémentaires (10, 11) étant assemblés par thermodiffusion de composants métalliques appartenant à chaque circuit imprimés élémentaires (10, 11), caractérisé en ce que les trous métallisés (31, 32) du premier circuit élémentaire (10) sont obstrués chacun au moyen d'un bouchon (33, 34), en ce que le second circuit imprimé élémentaire (11) 1 o comprend deux faces externes (20, 21) et en ce que dans le prolongement de chacun des trous métallisés (31, 32) du premier circuit imprimé élémentaire (10), le second circuit imprimé élémentaire (11) comprend un trou métallisé (37, 38) permettant d'interconnecter ses deux faces externes (20, 21). 15
2. Circuit imprimé multicouche selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque trou métallisé (37, 38) du second circuit imprimé élémentaire (11) à un diamètre supérieur à un diamètre du trou métallisé (31, 32) du premier circuit imprimé élémentaire (10) situé dans son 20 prolongement.
3. Circuit imprimé multicouche selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bouchons (33, 34) sont réalisés en résine. 25
4. Circuit imprimé multicouche selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bouchons (33, 34) comprennent chacun un ressaut (35, 36) débordant d'une première (16) des faces externes (13, 16) du premier circuit imprimé élémentaire (10), la première 30 face (16) étant en contact avec le second circuit imprimé élémentaire (11) et en ce que chacun des ressauts (33, 34) est accueilli dans un des trous métallisés (37, 38) du second circuit imprimé élémentaire (11).
5. Circuit imprimé multicouche selon la revendication 4, caractérisé en ce que les bouchons (33, 34) ne débordent pas au-delà d'une seconde (13) des faces externes (13, 16) du premier circuit imprimé élémentaire (10), la seconde face externe (13) étant opposée à la première face externe (16).
6. Circuit imprimé multicouche selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier circuit imprimé élémentaire (10) comprend un premier dépôt métallique sur une première (16) de ses faces externes (13, 16), le premier dépôt permettant l'assemblage par thermodiffusion avec le second circuit imprimé élémentaire (11), en ce que le premier circuit imprimé élémentaire (10) comprend un second dépôt métallique sur une seconde (13) de ses faces externes (16) et en ce que les deux dépôt métalliques sont distincts.
7. Circuit imprimé multicouche selon la revendication 6, caractérisé en ce que des dépôts métalliques réalisés sur des faces en contact du premier circuit imprimé élémentaire (10) et du second circuit imprimé élémentaire (11) sont distincts pour faciliter la thermodiffusion.
8. Circuit imprimé multicouche selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier dépôt métallique réalisé sur le premier circuit imprimé élémentaire (10) est à base d'or et en ce que le second circuit imprimé élémentaire (11) comprend un dépôt métallique à base d'étain sur une première (20) de ses faces externes (20, 21), permettant l'assemblage par thermodiffusion avec le premier circuit imprimé élémentaire (10).
9. Circuit imprimé multicouche selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième circuit imprimé formant un module triplaque (12) assemblé par thermodiffusion avec le second circuit imprimé élémentaire (11) et en ce que des dépôts métalliques réalisés sur des faces (21, 26) en contact du second circuit imprimé élémentaire (11) et du module triplaque (12) sont distincts pour faciliter la thermodiffusion.35
10. Circuit imprimé multicouche selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les faces externes (20, 21) du second circuit imprimé élémentaire (11) sont recouvertes d'un même dépôt métallique à base d'étain et en ce que le dépôt métallique du module triplaque (12) est à base d'or.